Способы коммутации каналов

Сеть межсоединений состоит из процессорных элементов (ПЭ), коммутаторов и соединительных линий. На рис. 17.7 в качестве примера изображена сеть межсоединений в форме квадратной решетки с четырьмя коммутаторами и двумя ПЭ. Каждый коммутатор содержит 4 входных и 4 выходных порта, а также схемы соединения. Функции коммутатора состоят в том, чтобы принимать пакеты, которые приходят на любой входной порт, и отправлять пакеты из соответствующих выходных портов. Выходной порт одного коммутатора связан с входным портом другого коммутатора через последовательный или параллельный канал, который показан на рисунке пунктирной линией. Параллельные каналы характеризуются более высокой производительностью, чем последовательные каналы с такой же тактовой частотой, однако в них возникает проблема расфазировки данных. Ее суть состоит в том, что биты передаваемого пакета прибывают на приемный пункт неодновременно.

C помощью коммутаторов осуществляется формирование, или коммутация, каналов при передаче сообщений.

Предварительная коммутация с резервированием канала. При этом способе коммутации весь путь (маршрут) резервируется заранее, т. е. все необходимые порты и буферы затребованы до начала передачи. Поэтому, когда начинается передача, все необходимые ресурсы доступны, и биты могут на полной скорости перемещаться через все коммутаторы от исходного пункта к пункту назначения. На рис. 17.7 жирной линией выделен канал от ПЭ1 к ПЭ2, для которого резервируются три входных (1, 3, 5) и три выходных (2, 4, 6) порта. Недостаток способа состоит в том, что требуется предварительное планирование и любые пересылки запрещены до тех пор, пока не будет передано сообщение.

Коммутация с промежуточным хранением. Этот способ не требует предварительного резервирования ресурсов. Из исходного пункта, которым является процессорный элемент ПЭ1 (рис. 17.7) посылается целый пакет к первому коммутатору, А и помещается в его буфер. Далее пакет последовательно перемещается в коммутаторы С, D, а затем в пункт назначения (процессор ПЭ2). Буферизация позволяет сохранить данные (пакет) в случае занятости порта.

Применяется три вида буферизации:

• буферизация на входе — один или несколько буферов связаны с каждым входным портом по принципу FIFO — первым вошел, первым вышел. В случае занятости выходного порта пакеты ждут своей очереди. Первым покидает буфер пакет, который раньше всех появился в буфере. Этому виду буферизации присуща блокировка начала очереди, когда находящиеся в начале очереди пакеты блокируют последующие пакеты, хотя нужный им порт может оказаться свободным;

Рис. 17.7. Сеть межсоединений в форме квадратной решетки с четырьмя коммутаторами и двумя ПЭ.

• • буферизация на выходе — буферы связаны с выходными портами. Передаваемые пакеты поступают в буфер, который связан с нужным выходным портом. Поэтому они не могут блокировать пакеты, направленные в другой порт;
• • общая буферизация — один буферный пул динамически распределяется по портам по мере необходимости. Появление этого вида буферизации обусловлено тем, что при буферизации на входе и выходе недостаточный объем памяти буферов приводит к потере пакетов. Однако общая буферизация требует более сложного управления. Кроме того:

¦ каждый коммутатор должен вмещать самый большой пакет (и даже несколько пакетов максимального размера), для чего потребуется ужесточить требования к памяти и снизить максимальный размер пакета;

¦ появляется возможность захвата всей памяти одним соединением, лишив памяти другие соединения.

При коммутации с промежуточным хранением возникает проблема возрастающей задержки, связанная с необходимостью копирования передаваемых данных в буферы. Для ее решения можно использовать гибридную сеть межсоединений, объединяющую в себе коммутацию каналов и коммутацию пакетов. Например, каждый пакет можно разделить на части. Как только первая часть поступила в коммутатор, ее можно сразу направить в следующий коммутатор, даже если оставшиеся части пакета еще не прибыли в этот коммутатор. При таком подходе ресурсы не резервируются заранее. Поэтому возможна конфликтная ситуация в соревновании за право обладания ресурсами (портами и буферами).

Коммутация без буферизации пакетов. Если первый блок пакета не может продвигаться дальше, то возможны два подхода:

• • оставшаяся часть пакета продолжает поступать в буфер коммутатора. При его заполнении используются технологии способа коммутации с промежуточным хранением, т. е. с буферизацией пакетов;
• • в исходный пункт передается сигнал остановить передачу, а когда необходимые ресурсы становятся доступными, пакет начнет двигаться дальше. Таким образом, пакет может оборваться и растянуться на два коммутатора и более.

Оба подхода аналогичны конвейерному выполнению команд в центральном процессоре. Каждый из коммутаторов используется более интенсивно, благодаря чему достигается более высокая производительность.